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有望告別國外依賴,中國冰路衛星下月發射!

有望告別國外依賴,中國冰路衛星下月發射!

  有望告別國外依賴,我國冰路衛星下月發射!

  科技日報記者 陳瑜

  “三極遙感星座觀測系統”的首顆試驗衛星——冰路衛星(BNU-1,又名“京師一號”)近日已在深圳包裝入箱,預計今年9月發射升空。通過每天對極地區域的全覆蓋觀測,系統將服務于國家北極航道開發和環境保護。

  此前我國已經建立了氣象、海洋等系列民用衛星系統,發展極地專用遙感衛星意義何在?與億元級造價大型衛星相比,百萬元級造價微小衛星有何優劣性?記者就此專訪了冰路衛星首席科學家、中山大學測繪科學與技術學院院長程曉。

  我國對歐美極地衛星數據高度依賴

  2014年1月,我國“雪龍“號和俄羅斯”紹卡利斯基“號破冰船被困南極海冰。程曉當時所在北京師范大學極地遙感團隊提出的脫困方案被采納,并被證明是有效方案。

  “可最終支持我們及時拿出方案的是美國衛星過境拍攝的數據。”程曉回憶,這對大家刺激很大,“凸顯了我國現有衛星體系在極地觀測能力上的嚴重不足。”

  南北兩極是全球變化的指示器與放大器。全球變暖導致兩極冰蓋加劇融化,導致海平面上升;北極海冰加劇退縮,導致北半球極端天氣氣候事件頻發。

  但由于太陽高度角低、冰雪反照率高,兩極地區是衛星遙感觀測的難點所在。尤其是在極夜期間,可見光遙感衛星難以對極地成像,高地表反照率和頻繁的云覆蓋又導致光學影像過曝或無法拍攝到云下地表。

  此外,極地冰雪環境變化強烈且快速,我國現有的氣象、資源、環境、海洋等系列民用衛星觀測的時空精度,僅能觀測和揭示類似冰川運動這樣的大尺度慢速極地地表變化,無法捕捉到極地冰-海-氣間強烈且快速的相互作用過程,獲得時空連續數據。而這些是極地研究的核心和前沿領域。

  放眼全球,美國、歐洲和加拿大的極地衛星已實現了對極地的大范圍連續觀測,基本實現了千米級分辨率的每日重復(如美國MODIS衛星)和10米級分辨率的每旬重復(如美國陸地衛星8號和歐空局哨兵1、2號衛星)。此外,歐洲和美國還分別發展了測高衛星,這當中以歐空局的寒區衛星Cryosat-2和美國的冰衛星ICESat-1、2衛星最為著名,其能夠實現對極地冰層的厘米級精度的高程變化測量,對理解極地冰川和海冰變化具有重要意義。

  值得一提的是,歐美上述衛星所獲取的極地遙感數據對科學界和公眾開放,已成為國際極地遙感領域的主導性衛星遙感數據。

  “我國極地科學領域甚至整個地球科學領域對歐美上述衛星數據同樣高度依賴。”程曉說。

  采用“鴿群”發展模式,預計組建24顆小衛星組成的星座網絡

  程曉告訴記者,為實現對極地連續觀測遙感,國際上有兩種模式,一種模式是發展極地同步衛星,加拿大和挪威啟動了極地高軌衛星計劃,以實現對北極地區全天時全天候的連續觀測,這種衛星造價極高且需要大推力火箭將衛星推至3萬公里以上高空;另一種模式則是采用美國“鴿群”衛星的思路,即通過組成星座以建立低成本的微小型遙感衛星數據獲取系統,單顆衛星的重量約5公斤,設計壽命3年以上。與一些傳統大型衛星相比,其重量僅為其千分之一,成本僅為其幾十甚至幾百分之一,能夠實現衛星系統的快速技術更新。

  冰路衛星采用的就是“鴿群”發展模式,即采用微小衛星平臺,建立低成本的微小型遙感衛星星座,實現對極區的高時空連續觀測。基于鴿群的模式,冰路衛星在載荷配置上也有獨特的設計,配備了超寬幅中分辨率相機、高分辨率相機和AIS接收機,其中寬幅相機的分辨率設定為80米,幅寬達800公里,這是對當前國際通用的千米級和十米級分辨率極地衛星數據的一個重要補充,與其8米分辨率的高分辨率相機相配合,單星能夠實現兩極地區5天全覆蓋,實現對極地全境及重點區域的觀測,有望提升對冰山漂移、冰架崩塌等快速變化的監測能力,在多顆星組成星座后則能實現上述快速變化過程的小時級觀測,將帶來極地遙感觀測的革命性突破。

  此外,該星還集成了接收船舶AIS定位信號廣播的星載AIS接收機,能夠把極區遙感與船舶航行很好的結合,為極區船舶規劃航行線路,做出航道風險評估,支撐北極航道開發。

  與億元級造價大型衛星相比,百萬元級造價微小衛星的載荷精度和衛星壽命都無法比擬,并且單星短時間內難成氣候,極夜期間也無法進行觀測。

  “我們規劃了一個24顆小衛星組成的星座網絡,目標是實現極地地區一小時內重復觀測的頻率,一定程度上實現全天時觀測。此外還規劃了高極軌SAR衛星和迷你SAR衛星星座,希望到2030年前完成最終部署。”程曉說。

  有望在今年南極考察中初試身手

  程曉說,冰路衛星是我國極地遙感小衛星的一顆“探路”星,通過它將為發展小衛星星座打下基礎。

  近年來,國內不少高校紛紛“放衛星”。

  “總體來說,國際上小衛星技術剛起步,但比照美國、丹麥和日本,我國有較大差距。”程曉舉例說,美國NASA建立了一支強大的微小衛星任務艦隊,丹麥Gomspace公司在國際微小衛星研制領域素有聲譽,日本微納衛星技術則更加發達,甚至一些高中生都參與進來。

  “小衛星是未來幾十年的發展方向和重點,我國必須加快發展微小衛星制造技術,要在材料、通訊、電池以及先進載荷制造等方面取得突破,才能真正走到世界前列。”在程曉看來,我國高校從事微小衛星研究不是太多了,而是太少了。但他同時強調,不能為了放衛星而“放衛星“,比如發展極地遙感小衛星,最終目的一定獲取盡可能多的極地遙感觀測數據開展科學研究。

  由于我國緯度較低,我國地面站每天能與衛星通信的軌數非常少,此前,程曉和團隊已通過國際合作,在南北半球高緯地區部署地面接收站幫助接收衛星數據。下一步還計劃在南半球高緯地區建設衛星地面接收站,進一步縮短衛星在南極觀測數據的下傳時延。

  為提升衛星數據的定量化水平,北京師范大學今年下半年將派出劉旭穎博士隨雙“龍”(“雪龍”號、“雪龍”2號)赴南極執行無人機遙感和地面同步調查任務,開展星-機-地同步遙感實驗,以對衛星數據進行定標和真實性檢驗。這意味著,冰路衛星有望在今年南極考察中初試身手,與雙“龍”共探極地。

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